【英】 H.H.Tran B.Richard K.Gray M.Bassett

零 部 件

滿足多款小型化汽油機(jī)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)械增壓器性能參數(shù)研究

【英】 H.H.Tran B.Richard K.Gray M.Bassett

發(fā)動(dòng)機(jī)極度小型化是現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)滿足新排放法規(guī)的1種措施。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化程度越高，產(chǎn)生的CO2也越少。如此，發(fā)動(dòng)機(jī)就需要更高的增壓水平來達(dá)到更高的扭矩性能。對(duì)于目前的傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)來說，低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)荷下的高增壓是1個(gè)值得關(guān)注的問題。Aeristech公司已經(jīng)開發(fā)出1款電動(dòng)機(jī)械增壓器，與傳統(tǒng)渦輪增壓器匹配后組成1種新型的兩級(jí)增壓系統(tǒng)，這使得相對(duì)簡(jiǎn)單的小型化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可以應(yīng)用到主流汽車上。鑒于大多數(shù)電動(dòng)增壓裝置是提供瞬時(shí)輸出以減輕渦輪遲滯，電動(dòng)機(jī)械增壓器更能在穩(wěn)態(tài)下提供空氣。因此，電動(dòng)機(jī)械增壓器具有雙重功能：減輕渦輪遲滯和彌補(bǔ)渦輪增壓器或主要增壓裝置的壓氣機(jī)性能。電動(dòng)機(jī)械增壓器既有傳統(tǒng)機(jī)械增壓器的功能，同時(shí)又有傳統(tǒng)電動(dòng)增壓裝置的功能。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)械增壓器可以替代多級(jí)渦輪增壓器布置中的第一級(jí)渦輪增壓器。對(duì)1款高級(jí)的2.0 L增壓汽油機(jī)應(yīng)用此電動(dòng)機(jī)械增壓器進(jìn)行了仿真，對(duì)1款1.2 L極度小型化發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用此電動(dòng)機(jī)械增壓器進(jìn)行了試驗(yàn)。目前,主要有2種電動(dòng)機(jī)械增壓器設(shè)計(jì)方案：一種使用單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)和控制器(功率電子元件)，另一種是將控制器(功率電子元件)和電動(dòng)機(jī)集成為一體。壓氣機(jī)單獨(dú)作用時(shí)有寬廣的性能區(qū)間和80%的峰值效率，與電動(dòng)機(jī)和控制器(功率電子元件)結(jié)合后可以在0.5 s以內(nèi)達(dá)到全負(fù)荷運(yùn)行。方案設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化使其單位體積最小化和提高其在汽車機(jī)艙內(nèi)布置的靈活性。另外，電動(dòng)機(jī)械增壓器已經(jīng)在MAHLE 3缸直接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率高達(dá)161 kW，同時(shí)在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)扭矩曲線大體上都是平坦的。

電動(dòng)機(jī)械增壓器 小型化 性能 直接噴射

0 前言

未來幾年汽車的CO2排放急需降低。例如，歐盟2021年的CO2排放目標(biāo)是95 g/km，日本2020年的CO2排放目標(biāo)是105 g/km，中國2020年的CO2排放目標(biāo)是117 g/km。這就意味著屆時(shí)歐盟的排放要比現(xiàn)在降低27%，日本降低17%，中國降低27%[1-3]。汽油機(jī)小型化是目前降低CO2排放的1種方案，可以憑借先進(jìn)的增壓系統(tǒng)保持和改進(jìn)相當(dāng)于大排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。CO2排放降低主要來源于小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的低摩擦、低泵氣功(節(jié)流損失)和低轉(zhuǎn)速。

新型汽油機(jī)采用單級(jí)渦輪增壓器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定程度的小型化。如英國MAHLE 動(dòng)力總成公司實(shí)現(xiàn)了2.4 L自然吸氣到1.2 L 3缸發(fā)動(dòng)機(jī)50%的小型化。1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)采用單級(jí)渦輪增壓器達(dá)到了120 kW的峰值功率，保持了和2.4 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相同的性能。相對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，1.2 L小型化發(fā)動(dòng)機(jī)在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況下的CO2排放降低了25%～30%[4]。此外，PSA公司研發(fā)的1.2 L EB turbo pure tech發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了96 kW的峰值功率，通過25%的小型化和速比優(yōu)化，CO2排放降低了17%。這款發(fā)動(dòng)機(jī)可以和其公司的1.6 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相媲美，二者配裝了同樣的車型[5]。

汽油機(jī)小型化程度越高，越有潛力進(jìn)一步降低CO2排放。為了達(dá)到更高的增壓水平需要采用多級(jí)渦輪增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化達(dá)到50%以上的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，曾有文獻(xiàn)做了詳細(xì)的記載[6]。采用兩級(jí)傳統(tǒng)渦輪增壓器可以使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到50%以上的小型化，在某些情況下需要使用功率控制技術(shù)(CPT)的12 V可變扭矩提升系統(tǒng)(VTES)的電動(dòng)壓氣機(jī)來提升瞬時(shí)響應(yīng)。MAHLE 動(dòng)力總成公司的1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩級(jí)傳統(tǒng)渦輪增壓器達(dá)到了280 N·m的峰值扭矩和120 kW/L的升功率[6]。此發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)性能水平的對(duì)標(biāo)機(jī)型是2.0 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，等同于2.8 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

在上述項(xiàng)目中，MAHLE 動(dòng)力總成公司進(jìn)行了2.4 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)小型化到1.2 L的探索性挑戰(zhàn)，其嘗試了多種增壓系統(tǒng)布置，但是最終也沒有完全達(dá)到目標(biāo)性能(目標(biāo)性能水平的對(duì)標(biāo)機(jī)型是2.0 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī))。采用兩級(jí)傳統(tǒng)渦輪增壓器布置，1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出了和2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)相同的穩(wěn)態(tài)性能，但是瞬時(shí)響應(yīng)性能稍差。當(dāng)采用傳統(tǒng)渦輪增壓器和VTES 的電動(dòng)壓氣機(jī)時(shí)，1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)響應(yīng)提升了，但是穩(wěn)態(tài)性能不及對(duì)標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1種提升瞬時(shí)響應(yīng)的方案是增加電動(dòng)壓氣機(jī)作為第三級(jí)增壓裝置，來輔助兩級(jí)傳統(tǒng)渦輪增壓器，這可以提供更好的瞬時(shí)響應(yīng)。然而，1種簡(jiǎn)單的方案可以取消一級(jí)傳統(tǒng)渦輪增壓器，使用電輔助渦輪增壓器在保證穩(wěn)態(tài)工況輸出的同時(shí)，可以具有快速的瞬時(shí)響應(yīng)性能。這種應(yīng)用的電動(dòng)裝置需要具有雙重功能，既要像助力器(壓氣機(jī))提升瞬時(shí)響應(yīng)性能，同時(shí)又要像渦輪增壓器一樣保證穩(wěn)態(tài)輸出。這種電動(dòng)裝置類似于皮帶驅(qū)動(dòng)的魯式機(jī)械增壓器或者螺旋式機(jī)械增壓器，具有快速的瞬時(shí)響應(yīng)性能和良好的穩(wěn)態(tài)性能，因此其被稱作電動(dòng)機(jī)械增壓器。電動(dòng)機(jī)械增壓器需要電力供應(yīng)(供電電源)，通常是48 V，而不是12 V。此外，兩級(jí)電動(dòng)機(jī)械增壓器需具有零部件層面的創(chuàng)新，以解決電動(dòng)機(jī)和控制器向壓氣機(jī)持續(xù)供應(yīng)動(dòng)力的問題。作為零部件層面創(chuàng)新的交換，簡(jiǎn)化整個(gè)增壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 仿真方法

電動(dòng)機(jī)械增壓器設(shè)計(jì)時(shí)考慮了應(yīng)用的范圍，可以用于1.0～2.0 L的直列發(fā)動(dòng)機(jī)和3.0～4.0 L的V型發(fā)動(dòng)機(jī)。在這些仿真中，電動(dòng)機(jī)械增壓器位于傳統(tǒng)渦輪增壓器壓氣機(jī)的上游。這種布置在一定程度上降低了電動(dòng)機(jī)械增壓器的熱負(fù)荷，但是加重了對(duì)壓縮更低初始密度空氣所需額定功率的需求。每種方案都是可行的，但是期望大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者首選上游位置布置方案。

電動(dòng)機(jī)械增壓器在低轉(zhuǎn)速時(shí)彌補(bǔ)渦輪增壓器，高速時(shí)被旁通。電動(dòng)機(jī)械增壓器有3種功率模式：瞬時(shí)功率模式、短時(shí)超負(fù)荷功率模式和穩(wěn)態(tài)功率模式。穩(wěn)態(tài)功率模式是真正地在穩(wěn)態(tài)下提供持續(xù)的工作，即在傳統(tǒng)渦輪增壓器處于喘振時(shí)或者由于渦輪膨脹比較低時(shí)不能提供足夠的增壓壓力時(shí)進(jìn)行工作。Aeristech公司電動(dòng)機(jī)械增壓器具有獨(dú)一無二的高穩(wěn)態(tài)功率，這使得電動(dòng)機(jī)械增壓器可以在較寬的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)單獨(dú)調(diào)節(jié)流量。電動(dòng)機(jī)械增壓器的短時(shí)超負(fù)荷功率模式是設(shè)計(jì)的更高功率的模式，可以支持高流量區(qū)域的工作，這些區(qū)域通常是傳統(tǒng)渦輪增壓器擅長的工況(即非喘振區(qū))，但是由于其自身慣量和可用的廢氣能量限制會(huì)產(chǎn)生渦輪遲滯。高的短時(shí)超負(fù)荷功率可以支持高效的、大直徑的渦輪增壓器，排除其固有的設(shè)計(jì)時(shí)要降低慣量以減小渦輪遲滯的限制。電動(dòng)機(jī)械增壓器是1種可以解決渦輪遲滯的方案。電動(dòng)機(jī)械增壓器瞬時(shí)功率只和克服其本身的慣量有關(guān)。一般對(duì)于瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間的要求是在0.5 s以內(nèi)，但是基于不同工況，實(shí)際測(cè)量的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間最大差異超過了100%。例如，較高的流量時(shí)，Aeristech公司的電動(dòng)機(jī)械增壓器的反應(yīng)可能在0.45 s以內(nèi)，但是在同樣的瞬時(shí)功率下，特別是在低轉(zhuǎn)速、靠近喘振工況時(shí)瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間小于0.20 s。當(dāng)然，密閉空間瞬時(shí)響應(yīng)在真空下或應(yīng)更快。

在3款發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行仿真來確定電動(dòng)機(jī)械增壓器概念的性能需求，發(fā)動(dòng)機(jī)分別為3缸1.2 L、4缸2.0 L、V型8缸3.8 L高性能發(fā)動(dòng)機(jī)(表1)。需要注意的是對(duì)于3款不同性能需求的發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)械增壓器設(shè)計(jì)時(shí)沒有針對(duì)任何1款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。但是商業(yè)需求迫使Aeristech公司使用最初展示的裝置來滿足大范圍的應(yīng)用需求。表1列出了發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，仿真結(jié)果表明1.2 L和2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的需求可以通過1個(gè)簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)械增壓器裝置滿足，然而V型8缸3.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)需要2個(gè)電動(dòng)機(jī)械增壓器裝置。

表1 仿真的3款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格參數(shù)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

3款汽油機(jī)通過1D計(jì)算工具進(jìn)行仿真，這種工具是Aeristech公司基于Microsoft Excel平臺(tái)研發(fā)的。1D模型通過Ricardo WAVE仿真平臺(tái)和MAHLE動(dòng)力總成公司的研究得以驗(yàn)證?；谟邢薜牟贾脭?shù)據(jù)和簡(jiǎn)化了模型的方法對(duì)3款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真：發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸入包含目標(biāo)空燃比、充氣效率和熱效率，中冷器的輸入是壓降和冷卻效果，空氣濾清器的輸入是壓降，兩級(jí)增壓布置的輸入是渦輪增壓器和電動(dòng)機(jī)械增壓器的壓氣機(jī)性能曲線。

每款發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和熱效率都是預(yù)測(cè)的?？諝饬髁渴峭ㄟ^發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)和預(yù)測(cè)的效率計(jì)算的?？諝鉃V清器和中冷器的壓降是按照空氣流量的平方函數(shù)計(jì)算的。增壓壓力通過每款發(fā)動(dòng)機(jī)的工作容積、需求的空氣流量(目標(biāo)功率點(diǎn))和假設(shè)的進(jìn)氣管路壓降計(jì)算的。

每款發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器都設(shè)定能達(dá)到峰值功率。電動(dòng)機(jī)械增壓器的穩(wěn)態(tài)性能需求根據(jù)任何流量下每款發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)增壓壓力與目標(biāo)增壓壓力迫使渦輪增壓器處于喘振區(qū)域時(shí)低于5%渦輪增壓器喘振線的增壓壓力的差值而設(shè)定的。電動(dòng)機(jī)械增壓器短時(shí)超負(fù)荷功率需求設(shè)定如下：在沒有主渦輪增壓器輔助的情況下達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷扭矩的65%(1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī))、80%(2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī))、85%(3.8 L發(fā)動(dòng)機(jī))。因此電動(dòng)機(jī)械增壓器的短時(shí)超負(fù)荷功率決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)加速響應(yīng)性，在應(yīng)用時(shí)占穩(wěn)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的百分比越高越需要優(yōu)化。電動(dòng)機(jī)械增壓器的瞬時(shí)峰值功率是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在加速性最差的情況下，計(jì)算0.4 s以內(nèi)達(dá)到短時(shí)超負(fù)荷功率時(shí)空氣流量的90%得到的。因此，電動(dòng)機(jī)械增壓器的瞬時(shí)功率影響加速時(shí)的遲滯感。由于其經(jīng)常被忽略，需要注意的是瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間是通過壓氣機(jī)葉輪在最差的空氣動(dòng)力負(fù)荷下計(jì)算的。

電動(dòng)機(jī)械增壓器帶來的CO2排放降低水平基于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者的選擇。在仿真2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)和裝有電動(dòng)機(jī)械增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同水平的總功率和升功率(110 kW)。通過重新設(shè)計(jì)主渦輪增壓器降低了排氣背壓(包含在NEDC工況下其他功率點(diǎn))，也可以降低CO2排放。在Ricardo WAVE仿真研究中，重新設(shè)計(jì)渦輪增壓器使CO2排放降低了0.9%。在MHALE動(dòng)力總成1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中使用電動(dòng)機(jī)械增壓器，達(dá)到了160 kW的升功率，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化程度達(dá)到了62%。MHALE公司宣稱與相同功率輸出的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，CO2排放降低了35%[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)性能將在其他文獻(xiàn)中說明，本文的研究只聚集性能參數(shù)和電動(dòng)機(jī)械增壓器的工作模式。

1.2 1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)原理示意圖

圖1是3缸1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)的原理示意圖。穩(wěn)態(tài)工況下電動(dòng)機(jī)械增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下時(shí)介入工作，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min時(shí)被旁通，短時(shí)超負(fù)荷工況時(shí)(傳統(tǒng)渦輪增壓器表現(xiàn)出渦輪遲滯時(shí))可以工作到3 500 r/min。

圖1 帶電動(dòng)機(jī)械增壓器的1.2 L汽油機(jī)原理示意圖

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線

電動(dòng)機(jī)械增壓器和主渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)產(chǎn)生150 kW的峰值功率和在1 500～3 500 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間產(chǎn)生306 N·m的峰值扭矩。此性能優(yōu)于先前MAHLE動(dòng)力總成研發(fā)和試驗(yàn)的1.2 L兩級(jí)傳統(tǒng)渦輪增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)，其產(chǎn)生120 kW/L的峰值功率和280 N·m的峰值扭矩[6]。

電動(dòng)機(jī)械增壓器的短時(shí)超負(fù)荷功率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～3 500 r/min有關(guān)，其可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000～3 500 r/min時(shí)產(chǎn)生200 N·m的扭矩(1 000～2 000 r/min的扭矩也得以提升，圖2)。在這種工況下，即使傳統(tǒng)渦輪增壓器不產(chǎn)生任何增壓壓力，電動(dòng)機(jī)械增壓器本身也可以使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生65%的穩(wěn)態(tài)扭矩。

圖2 帶電動(dòng)機(jī)械增壓器的1.2 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線

1.2.3 壓氣機(jī)性能曲線

圖3示出了壓氣機(jī)性能曲線上的運(yùn)行點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)械增壓器壓氣機(jī)比主壓氣機(jī)的阻塞線更低。方塊代表總增壓比，圓形代表電動(dòng)機(jī)械增壓器的增壓比，菱形代表渦輪增壓器的增壓比。渦輪增壓器在3 000 r/min以下不能提供全部需求的增壓比，因此電動(dòng)機(jī)械增壓器在此區(qū)域進(jìn)行彌補(bǔ)。電動(dòng)機(jī)械增壓器的運(yùn)行點(diǎn)與此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域的整個(gè)質(zhì)量流量相符，此時(shí)電動(dòng)機(jī)械增壓器和主增壓器串聯(lián)。電動(dòng)機(jī)械增壓器在低流量時(shí)產(chǎn)生高的增壓比、高流量時(shí)產(chǎn)生低的增壓比。主渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下時(shí)不能提供足夠的增壓壓力，但是和電動(dòng)機(jī)械增壓器一起，增壓系統(tǒng)可以提供0.32 MPa的總增壓比。圖3中三角形代表電動(dòng)機(jī)械增壓器的短時(shí)超負(fù)荷扭矩。這是電動(dòng)機(jī)械增壓器的超額定工況，目的是通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量和提供足夠的能量推動(dòng)主渦輪增壓器的渦輪以減輕渦輪遲滯。短時(shí)超負(fù)荷功率可以持續(xù)15 s。

圖3 1.2 L汽油機(jī)電動(dòng)機(jī)械增壓器和渦輪增壓器的壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)

從圖3可以看出2個(gè)增壓器都工作在比建議的喘振線更近的位置?；贏eristech公司的樣件試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)械增壓器有能力保證穩(wěn)定和可靠地運(yùn)行在喘振線附近。通過電動(dòng)機(jī)械增壓器的修正功能可以使傳統(tǒng)渦輪增壓器的流量保持恒定，同樣可以使其運(yùn)行在比建議的喘振線更近的位置。這被隨后的試驗(yàn)所證實(shí)[6]。

1.3 2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)

1.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)原理示意圖

圖4是4缸2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的原理示意圖。穩(wěn)態(tài)工況下電動(dòng)機(jī)械增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min以下時(shí)介入工作，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過2 500 r/min時(shí)被旁通，瞬時(shí)工況轉(zhuǎn)速可達(dá)2 500 r/min。與1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)相比，2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)械增壓器必須在更低的轉(zhuǎn)速讓傳統(tǒng)渦輪增壓器進(jìn)行工作。這是因?yàn)?.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定的目標(biāo)升功率比1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)的低(2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)為104 kW/L，1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)為125 kW/L)。2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)減輕了小型化程度，確保了從底盤獲得的電功率保持在合理的水平。

圖4 帶電動(dòng)機(jī)械增壓器的4缸2.0 L汽油機(jī)原理示意圖

1.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線

基建賬將如何合并到“大賬”上，這是工作的難點(diǎn)，也是合并建賬不可回避的問題，要求會(huì)計(jì)人員“未雨綢繆”，提早研究，做好這方面的準(zhǔn)備。

電動(dòng)機(jī)械增壓器和主渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)產(chǎn)生208 kW的峰值功率和在1 000～6 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間產(chǎn)生平坦的峰值扭矩曲線，此性能和4.0 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)。目前,使用傳統(tǒng)兩級(jí)增壓技術(shù)不能同時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)性能和瞬時(shí)響應(yīng)的協(xié)同。2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)響應(yīng)提高得益于電動(dòng)機(jī)械增壓器高的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和峰值扭矩帶來的快速響應(yīng)。

電動(dòng)機(jī)械增壓器在1 000～2 500 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間產(chǎn)生短時(shí)超負(fù)荷功率。在這種工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值輸出扭矩為265 N·m，在1 000～2 500 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間幾乎是恒定的。在此區(qū)間，空氣流量主要由電動(dòng)機(jī)械增壓器提供。假設(shè)主渦輪增壓器不產(chǎn)生任何增壓壓力，電動(dòng)機(jī)械增壓器本身也可以提供足夠的增壓壓力,使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生80%的穩(wěn)態(tài)扭矩。

圖5 帶電動(dòng)機(jī)械增壓器的2.0 L汽油機(jī)性能曲線

1.3.3 壓氣機(jī)性能曲線

圖6示出了電動(dòng)機(jī)械增壓器和傳統(tǒng)渦輪增壓器的增壓比?？傇鰤罕仍谡麄€(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間幾乎是恒定的，電動(dòng)機(jī)械增壓器在低流量時(shí)產(chǎn)生高的增壓比、高流量時(shí)產(chǎn)生低的增壓比。電動(dòng)機(jī)械增壓器可以在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)產(chǎn)生0.190 MPa的增壓壓力、2 500 r/min時(shí)產(chǎn)生0.115 MPa的增壓壓力。電動(dòng)機(jī)械增壓器的運(yùn)行點(diǎn)與此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域的整個(gè)質(zhì)量流量相符，此時(shí)電動(dòng)機(jī)械增壓器和主增壓器串聯(lián)。在壓氣機(jī)性能曲線中電動(dòng)機(jī)械增壓器短時(shí)超負(fù)荷響應(yīng)時(shí)，不同空氣流量下的增壓比幾乎是恒定的，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)加速響應(yīng)的穩(wěn)定性。

圖6 2.0 L汽油機(jī)電動(dòng)機(jī)械增壓器和渦輪增壓器的壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)

1.4 3.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)

1.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)原理示意圖

圖7是V8發(fā)動(dòng)機(jī)的原理示意圖。類似于直列3缸和直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的布置，2個(gè)電動(dòng)機(jī)械增壓器都分別布置在每列氣缸的主壓氣機(jī)的上游。在同一列的2個(gè)增壓器共同工作為這一列氣缸提供增壓壓力。電動(dòng)機(jī)械增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下時(shí)介入工作。在更高的轉(zhuǎn)速時(shí)旁通閥打開，空氣流量主要通過旁通閥流走，此時(shí)電動(dòng)機(jī)械增壓器不起作用，電動(dòng)機(jī)械增壓器和旁通閥并聯(lián)。

圖7 帶電動(dòng)機(jī)械增壓器的V型8缸3.8 L汽油機(jī)原理示意圖

1.4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線

在此應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)械增壓器只在短時(shí)超負(fù)荷功率模式和瞬時(shí)功率模式下工作，沒有穩(wěn)態(tài)功率模式。對(duì)于這款超級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以認(rèn)為傳統(tǒng)渦輪增壓器有能力提供高效的穩(wěn)態(tài)增壓壓力來達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)扭矩，電動(dòng)機(jī)械增壓器只是提升了加速響應(yīng)性和優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)械增壓器可以和傳統(tǒng)渦輪增壓器共同工作到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 500 r/min。在傳統(tǒng)渦輪增壓器不產(chǎn)生任何增壓壓力的情況下，電動(dòng)機(jī)械增壓器本身也可以使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生85%的穩(wěn)態(tài)扭矩，這就意味著加速響應(yīng)性非常出色。例如，在傳統(tǒng)渦輪增壓器不起作用時(shí)(假定為渦輪遲滯效應(yīng))2個(gè)電動(dòng)機(jī)械增壓器工作可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在3 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生528 N·m的扭矩。

圖8 帶電動(dòng)機(jī)械增壓器的3.8 L汽油機(jī)性能曲線

1.4.3 壓氣機(jī)性能曲線

圖9示出了電動(dòng)機(jī)械增壓器壓氣機(jī)性能曲線上的運(yùn)行點(diǎn)。運(yùn)行點(diǎn)位于壓氣機(jī)性能曲線的高效率區(qū)域。從圖中可以看出電動(dòng)機(jī)械增壓器除了可以滿足此應(yīng)用的現(xiàn)有需求外，仍有充足的潛力提供更大的增壓壓力。

圖9 3.8 L汽油機(jī)電動(dòng)機(jī)械增壓器的壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)

1.5 硬件

電動(dòng)機(jī)械增壓器的參數(shù)基于仿真結(jié)果設(shè)定(表2)。目前主要有2種電動(dòng)機(jī)械增壓器設(shè)計(jì)方案：一種使用單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)和控制器(功率電子元件)，另一種是將控制器(功率電子元件)和電動(dòng)機(jī)集成為一體。這兩種系統(tǒng)都可以和發(fā)動(dòng)機(jī)或汽車集成。

表2 電動(dòng)機(jī)械增壓器規(guī)格

2種設(shè)計(jì)方案都需要48 V電源系統(tǒng)提供不超過200 A的電流輸入(假定受限于汽車架構(gòu))。電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為120 000 r/min。壓氣機(jī)葉輪直接集成在電動(dòng)機(jī)軸上，不經(jīng)過變速裝置，與軸同轉(zhuǎn)速工作。

電動(dòng)機(jī)械增壓器設(shè)計(jì)時(shí)保持短時(shí)超負(fù)荷功率工作的最大周期時(shí)間是5 s。短時(shí)超負(fù)荷功率模式的實(shí)際工作時(shí)間取決于主渦輪增壓器的瞬時(shí)響應(yīng)，因此短時(shí)超負(fù)荷功率模式出現(xiàn)在主渦輪增壓器未達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)。

1.5.1 分體式設(shè)計(jì)

1.5.1.1 控制器

圖10示出了作為單獨(dú)模塊的控制器?？刂破鞯妮斎胧?8V。輸出電壓是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)?？刂破鞑捎美鋮s液冷卻。

圖10 分體式設(shè)計(jì)用控制器

1.5.1.2 電動(dòng)機(jī)和壓氣機(jī)

圖11示出了電動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)模塊。電動(dòng)機(jī)連接控制器的電輸出端。來自控制器的冷卻液采用串聯(lián)布置方式連接到電動(dòng)機(jī)殼體。

圖11 分體式設(shè)計(jì)用電動(dòng)機(jī)和壓氣機(jī)模塊

1.5.2 集成式設(shè)計(jì)

圖12示出了集成式設(shè)計(jì)方案。電動(dòng)機(jī)和控制器(功率電子元件)集成為一體，冷卻系統(tǒng)作為分系統(tǒng)進(jìn)行集成。2種電動(dòng)機(jī)械增壓器方案都是通過控制器局域網(wǎng)(CAN)控制并提供合適的連接。

圖12 集成式設(shè)計(jì)

1.6 壓氣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

1.6.1 增壓比

圖13對(duì)比了壓氣機(jī)性能曲線的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真結(jié)果。圖中點(diǎn)劃線代表CFD仿真結(jié)果，實(shí)線代表試驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)行了多個(gè)轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，如40 000 r/min、60 000 r/min、80 000 r/min、106 000 r/min和120 000 r/min。試驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真結(jié)果非常接近。在轉(zhuǎn)速60 000 r/min、80 000 r/min和120 000 r/min下，CFD仿真結(jié)果的喘振裕度優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果。CFD仿真結(jié)果的阻塞限度優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果。特別是在高流量區(qū)域增壓比的CFD仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果有更高的峰值。

圖13 增壓比和質(zhì)量流量的試驗(yàn)和CFD仿真結(jié)果

1.6.2 壓氣機(jī)效率

圖14示出了CFD仿真和試驗(yàn)的壓氣機(jī)效率曲線。試驗(yàn)和CFD仿真的最大效率都接近80%。在特定的轉(zhuǎn)速下，在高空氣流量區(qū)域試驗(yàn)的效率低于CFD仿真。造成這些差異的主要原因是試驗(yàn)臺(tái)架匹配的管路與CFD仿真搭建的管路不同。高空氣流量區(qū)域差異的另外1個(gè)潛在原因是高的壓氣機(jī)螺旋形出口速度。CFD仿真處理高速出口空氣時(shí)認(rèn)為是全部有效的，然而壓氣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)會(huì)將壓氣機(jī)出口點(diǎn)和出口管路布置的測(cè)量點(diǎn)之間的一部分速度轉(zhuǎn)化為壓力(效率小于100%)。

圖14 效率和質(zhì)量流量的試驗(yàn)和CFD仿真結(jié)果

1.7 討論

電動(dòng)機(jī)械增壓器在應(yīng)用的3款發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行仿真，分別是1.2 L經(jīng)濟(jì)型發(fā)動(dòng)機(jī)、2.0 L經(jīng)過改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和3.8 L V8高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)械增壓器通過仿真和臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬時(shí)工況驗(yàn)證[7]。

電動(dòng)機(jī)械增壓器在2.0 L汽油機(jī)上使用Ricardo WAVE仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真。電動(dòng)機(jī)械增壓器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的穩(wěn)態(tài)扭矩從272 N·m提高到329 N·m。發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到扭矩的仿真時(shí)間是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)0.64 s、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)0.78 s。對(duì)標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)是1 200 r/min時(shí)1.71 s、1 500 r/min時(shí)1.44 s[1]。

電動(dòng)機(jī)械增壓器在MAHLE動(dòng)力總成公司的Di3發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了193 kW的峰值功率和1 500 r/min時(shí)313 N·m的峰值扭矩[2]。電動(dòng)機(jī)械增壓器在MAHLE發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的試驗(yàn)效果超過了其在1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的原始仿真結(jié)果(仿真結(jié)果是150 kW的峰值功率和1 500 r/min時(shí)306 N·m的峰值扭矩)。 MAHLE公司有意使Di3發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)和性能得到突破性提高，使電動(dòng)機(jī)械增壓器和其它先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)的潛力發(fā)揮到極致。

在MAHLE動(dòng)力總成公司的Di3發(fā)動(dòng)機(jī)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500的瞬時(shí)工況下電動(dòng)機(jī)械增壓器使BMEP達(dá)到2.97 MPa的時(shí)間是1.2 s。相比之下，MAHLE 公司Di3發(fā)動(dòng)機(jī)的原機(jī)型在3.3 s內(nèi)達(dá)到了峰值功率120 kW和BMEP 2.34 MPa[7]。

2 結(jié)語

電動(dòng)機(jī)械增壓器具有雙重功能，一種是作為瞬時(shí)增壓裝置在傳統(tǒng)渦輪增壓器表現(xiàn)渦輪遲滯效應(yīng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行彌補(bǔ)，另外一種是作為穩(wěn)態(tài)機(jī)械增壓裝置充當(dāng)多級(jí)傳統(tǒng)渦輪增壓器布置中的一級(jí)。電動(dòng)機(jī)械增壓器已經(jīng)在1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上進(jìn)行仿真驗(yàn)證。需要特別說明的是MAHLE動(dòng)力總成1.2 L Di3發(fā)動(dòng)機(jī)使用Aeristech公司電動(dòng)機(jī)械增壓器達(dá)到了升功率161 kW和BMEP 3.3 MPa。如此高的功率密度本身就是一項(xiàng)成就，但其同時(shí)也提高了瞬時(shí)響應(yīng)，與前款發(fā)動(dòng)機(jī)的(動(dòng)力不夠強(qiáng)勁)相比，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min峰值扭矩的時(shí)間縮短了50%以上。

不足之處在于對(duì)于電動(dòng)機(jī)械增壓器的性能目標(biāo)的定義使用了簡(jiǎn)單的仿真方法，即預(yù)測(cè)的充氣效率作為仿真的輸入。這些不足在電動(dòng)機(jī)械增壓器匹配MAHLE 1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)和Ricardo仿真的2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)(全部1D仿真)上進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)部分已經(jīng)得到解決。下一步的工作是針對(duì)應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)Aeristech公司電動(dòng)機(jī)械增壓器，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化提供機(jī)會(huì)。

本文展示了1款高性能的電動(dòng)機(jī)械增壓器，尤其是穩(wěn)態(tài)能力，為新的具有創(chuàng)新的增壓系統(tǒng)的開發(fā)提供了可能性。在某些應(yīng)用上，作為多級(jí)傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)其中一級(jí)的替補(bǔ)，電動(dòng)機(jī)械增壓器有潛能使增壓系統(tǒng)在達(dá)到相當(dāng)水平的BMEP和發(fā)動(dòng)機(jī)小型化程度，具有簡(jiǎn)單又高效的性能。

Aeristech公司電動(dòng)機(jī)械增壓器匹配MAHLE 1.2 L Di3發(fā)動(dòng)機(jī)的展示樣車正在制作。CO2排放的試驗(yàn)結(jié)果將在有了樣車之后呈現(xiàn)。

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陳佳 譯自 SAE Technical Paper 2016-01-1041

虞展 編輯

2016-10-28)